多源空間信息技術在全國水文應急演練中的應用

孫振勇，馬耀昌，任勇，金奇

（1.長江水利委員會長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014； 2.長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010）

多源空間信息技術在全國水文應急演練中的應用

孫振勇1*，馬耀昌1，任勇2，金奇1

（1.長江水利委員會長江上游水文水資源勘測局，重慶 400014； 2.長江水利委員會水文局，湖北武漢 430010）

快速有效地處置突發(fā)自然災害依賴于相關職能機構的應急監(jiān)測技術能力，多空間多時相的高精技術運用則為應急監(jiān)測提供了強有力支撐。本文簡要介紹了多源空間技術基本原理和作業(yè)方法，以長江委水文上游局在2015年全國水文應急演練為例，對木洞河流域高危水文應急現場進行了應急監(jiān)測及數據處理。演練方案評價表明，基于多源空間技術進行水文應急監(jiān)測，對監(jiān)測精度和搶險救災處置效率有較大提高。

應急監(jiān)測；三維激光掃描；無人機系統(tǒng)；一體化數字測深

1　引 言

應急演練目的是為提升搶險救災水文應急監(jiān)測能力，完善快速、有序、高效的應急工作機制，保持各機構負責人及隊員的應急監(jiān)測技術能力，為應急處置突發(fā)水事件提供有力的技術支撐。2015年4月全國水文應急演練現場，假設重慶市巴南區(qū)木洞河流域發(fā)生了特大暴雨洪水，并形成了高危型堰塞湖，嚴重威脅著下游人民群眾生命財產安全。長江委水文局應急搶險總隊上游支隊（以下簡稱水文上游局）緊急奔赴堰塞湖現場實施應急水文監(jiān)測，收集堰塞湖區(qū)域的有關水文資料。水文上游局承擔的外業(yè)應急水文監(jiān)測任務有無人機低空攝影測量、堰塞體測量、堰塞湖測量。監(jiān)測中投入了無人機系統(tǒng)、三維激光掃描儀、一體化數字測深儀等水、陸、空的多源空間信息技術。本文以水文上游局在全國水文應急演練監(jiān)測為背景，探討了基于多源空間信息技術對應急監(jiān)測的綜合影響及評價。

2　原理與方法概述

2.1無人機攝影測量技術

無人機攝影測量技術是指利用無人機系統(tǒng)（UAS）搭載數碼攝像（攝影）機，基于攝影測量的基本原理對目的物進行數字/數字化影像獲取，自動（半自動）提取被攝對象用數字方式表達的幾何與物理信息，從而獲得各種形式的數字產品和目視化產品。無人機系統(tǒng)適用于800 m以下的各種調查、航空攝影測量。

圖1　三維激光掃描儀工作原理

2.2三維激光掃描技術

三維激光掃描技術利用激光測距的原理，完整并高精度的重建掃描實物，快速獲得空間三維數據，具有采集速度快、高分辨率、高精度、非接觸式測量、實時、動態(tài)以及高度自動化等優(yōu)勢［1］。三維激光掃描儀主要由測距系統(tǒng)、測角系統(tǒng)及其他輔助功能構成，如內置相機雙軸補償器等［2］。其工作原理都是通過測距系統(tǒng)獲取每個掃描點到掃描儀的距離S，再配合測角系統(tǒng)獲取掃描的水平角α和垂直角φ，如圖1所示。利用式（1）即可計算出每一個掃描點（如p點）與掃描儀的空間相對三維坐標信息Xp、Yp、Zp，然后在掃描的過程中利用本身的垂直和水平馬達等傳動裝置，完成對目標物體的全方位掃描，并最終獲取掃描物體的點云數據［3］。

2.3一體化數字測深儀無驗潮測深技術

現有的測深技術已經融合了GPS、測深儀、計算機技術等。在計算機上配備換能器接口，同時獲取水深數據、GPS定位坐標并融合在一起。應急監(jiān)測情況下，不能滿足處處能通過三角高程（或水準、水位自記、梯調遙測）獲得的水位高程，因此利用GPS-RTK技術測量得到水下測點時GPS天線相位中心高程，最后根據水深、GPS天線相位中心量至換能器底部高度、吃水量值改算到水下測點的高程。該方法即無驗潮模式下GPS水下測量［4～6］。

3　監(jiān)測實施

本次應急搶險水文監(jiān)測任務主要包括:雨量觀測、降水測報、堰塞體測量、堰塞湖水下地形測量、災情分析等項目（本文僅闡述測繪方面實施）。依據監(jiān)測內容，每個科目對應一個應急分隊對模擬災區(qū)進行監(jiān)測，并將數據融合內業(yè)組匯總處理，形成分析報告。實施流程如圖2所示:

圖2　應急監(jiān)測實施流程圖

3.1無人機低空攝影

MD-1000無人機系統(tǒng)搭載高性能攝影機，飛行抵達堰塞體、堰塞湖等模擬區(qū)域上空，開展空中懸停攝影，獲取最新的堰塞體區(qū)域影像圖片資料，并將所獲得信息和視頻傳送回地面控制站。地面微波控制站實時傳回后方指揮部。結果顯示堰塞體上旗幟等小目標物均能清晰展示，效果良好。隨后搭載全幅相機，進行數字化航測作業(yè)。在本次實施應急航拍過程中，考慮到當地高山峽谷、多云多雨等惡劣條件，利用多旋翼無人機進行150 m～200 m超低空航拍。此次航拍共飛行2個架次，獲取200張0.05 m高分辨率影像，覆蓋面積涵蓋整個模擬潰壩區(qū)和堰塞湖區(qū)域。經過隨后快速影像拼接，制作完成了《全國水文應急演練木洞河流域模擬災害區(qū)無人機影像圖》，如圖3所示。

圖3　全國水文應急演練木洞河流域模擬災害區(qū)無人機高分辨率DOM圖

從無人機系統(tǒng)獲取的影像數據和影像圖成果資料分析，初步掌握了災區(qū)大致情況，一是潰壩量小，堰塞體數據仍需其他技術進一步補充完善，二是堰塞湖水下地形資料缺失，需要進行水下地形測量；三是當前災區(qū)安全狀況允許技術人員進行進一步監(jiān)測。隨后指揮部下達指令，命令應急分隊同時采取三維激光掃描儀和沖鋒船分別獲取堰塞體和堰塞湖相關數據資料。

3.2三維激光掃描儀測量

依據災區(qū)DOM資料，堰塞體測量小組迅速規(guī)劃了測站掃描方案，并及時展開了堰塞體測量。此次水文應急演練采用的是 Rigel VZ-2000，其掃測速度在300 kHZ，掃測距離達到了2 800 m以上（儀器標稱為2 000 m，基于驗證測試數據）。監(jiān)測人員利用GPS獲取測站點及三維激光掃靶標點的三維坐標，架設了三個測站利用三維激光掃描儀開展模擬堰塞體掃測，從而獲得堰塞體坐標、下底長度、上頂寬度、壩底高程和壩頂高程等基本信息。并通過點云數據獲得堰塞體局部地形和堰塞體三維模型。用短波電臺向內業(yè)應急水文分析組報送堰塞湖體測量成果。

掃測過程中同時進行了影像拍照，將影像資料附加至點云上，便可以得到調查點的三維實景圖像，并通過RiscanPro軟件實時輸出，以方便瀏覽和網絡發(fā)布。圖4所示為疊加影像后的堰塞體的點云圖及左岸三維立體模型。

圖4　疊加影像后的堰塞體的點云圖及左岸三維立體模型圖

3.3水下地形測量

由于船體、機器等龐大笨重，現場決策組根據無人機低空遙感資料，制定了從木洞河右岸，堰塞體上游約50 m的下河最優(yōu)路線。并根據DOM圖獲取了河心線坐標，很快制定了水下測量計劃方案。堰塞湖測量小組在堰塞體壩前布置測船，搭載GPS和數字化測深儀，調試無線控制設備和計算機，及時展開了堰塞體河道地形測量。并對獲取數據實時處理，現場傳輸堰塞湖相關成果至指揮部。圖5為堰塞湖水下地形圖及建模計算數據［7］。

圖5　堰塞湖水下地形圖及堰塞湖關鍵數據

4　結 論

通過此次水文應急演練監(jiān)測顯示，多源空間信息技術能及時、有效地應對中小河流突發(fā)暴雨洪水造成的突發(fā)水事件，提供有力的技術支撐作用，確保處置安全有效。多源空間信息技術主要表現出以下特點:

（1）監(jiān)測技術智能一體，聯動決策。

在多源空間信息技術則依據測量需求自由搭載多種聲、光、電磁傳感設備，依靠先進嵌入式計算機技術、傳感器技術、無線通訊技術和智能控制技術組成了內外業(yè)一體化的測量平臺。不同儀器相互取長補短，相互配合，為指揮決策實施提供依據。

（2）數據獲取:多元性、綜合性、大面積的同步觀測

多源空間信息技術測量平臺可以將不同儀器的測量數據融合在一起，用戶不僅可以直接獲得點數據的實時三維坐標。還可以同時獲取測區(qū)的點云數據、DSM、DOM、DEM、DRG、DLG等各類數據產品。繼而獲得測區(qū)的地質地貌、地形植被、水文土壤等各類綜合信息。

（3）效率快，精度高，經濟效益擴大。

多源空間信息技術初期投入的費用比傳統(tǒng)監(jiān)測儀器要大很多，但與傳統(tǒng)的方法相比，可以大大地節(jié)省人力、物力、財力和時間，具有很高的經濟效益和社會效益。數據產品運用廣泛，附加值也較高。

（4）降低了作業(yè)強度，提高了安全性能。

多源空間信息技術采用了大量非觸源式作業(yè)模式，儀器替代了人員到達危險困難區(qū)域進行數據采集。一定程度上提高了測量技術人員作業(yè)安全系數。同時依靠強大的計算機處理技術，大大減輕了測量技術人員的外業(yè)、內業(yè)工作強度。

隨著監(jiān)測技術、計算機技術、人工智能技術的不斷發(fā)展與提高，相信多源空間信息技術勢必會在今后的應急搶險救災中大展身手，更好地發(fā)揮科技進步的優(yōu)勢，更快地提供真實可靠的數據，更好地服務于水文應急監(jiān)測。

參考文件

［1］于廣婷，白立飛.基于三維激光掃描技術的大比例尺地形圖繪制方法［J］.現代測繪，2012，35（S）：97～99.

［2］白立飛，于廣婷，盧曉龍等.三維激光掃描技術在青島市房地產開發(fā)中的應用［J］.山東國土資源，2011，27（3）：41～43.

［3］陳波，徐超，溫增平.三維激光掃描技術在震害調查中的應用［J］.震災防御技術，2015，10（1）：87～93.

［4］孫振勇，李俊，張燕.基于GPS無驗潮水深測量在自然河段沖淤變化的精度探討［J］.北京測繪，2016，02（1）：87～93.

［5］趙建虎.現代海洋測繪［M］.武漢：武漢大學，2008.110～114.

［6］陽凡林，趙建虎.GPS驗潮中波浪的誤差分析和消除［J］.海洋測繪，2003，23（3）：1～4.

［7］孫振勇，包波，樊曉濤.GPS-RTK技術在河道演變觀測中的應用探討［C］.中國測繪學會九屆三次理事會暨2007年“信息化測繪論壇”學術年會論文集海洋測繪.北京：中國測繪學會，2007.

Application of Multi-source Spatial Technology in the National Hydrological Emergency Drills

Sun Zhenyong1，Ma Yaochang1，Ren Yong2，Jin Qi1
（1.Bureau of Hydrology and Water Resources Survey of the Upper Yangtze River，Chongqing 400014，China；2.Bureau of Hydrology and Water Resources Survey of the Yangtze River，Wuhan 430010，China）

Dealing with natural disaster fast and effectively depends on the emergency monitoring techniques of relevant public institutions，and multi-space and multi-temporal techniques provide powerful support for emergency monitoring.Based on the National Hydrology Emergency Drill of the upper Changjiang river bureau of hydrological and water resources survey during 2015，the basic principles and operation methods of multi-source space technology are introduced briefly，taking MuDong River basins hydrological emergency scene with high-risk as an example，emergency monitoring，data processing and comparative study with traditional methods are carried out.The results showed that the precision of monitoring and the efficiency for disaster relief could be significantly increased with multi-source space technology used for hydrographic emergency monitoring.

emergency monitoring；3D laser scanning；unmanned aircraft system；the integration of digital sounding

1672-8262（2016）04-87-04

P231，P235

B

2016—03—04

孫振勇（1985—），男，工程師，主要從事水文測繪、河道勘測等工作。